去除廳堂脈沖響應測量聲信號中噪聲的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及聲學領域的測量技術，尤其是涉及一種基于時頻分析去除廳堂脈沖響 應測量聲信號中噪聲的方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 脈沖響應是反映廳堂音質的重要物理量，從脈沖響應中可以直接計算出混響時間 (RT60)、早期衰變時間（EDT)、清晰度因子（D50)、明晰度因子（C50)、響度因子（G)、雙耳相 關系數（IACC)等廳堂音質參量。準確地測量廳堂脈沖響應聲信號對室內聲學設計、音質驗 收和環境噪聲控制技術的發展以及工程實踐具有重要意義。現場脈沖響應測量經常受到語 音、交通和施工設備噪聲干擾，特別是有觀眾的現場或施工期間的現場測量，噪聲對測試的 干擾幾乎不可避免。對于混響時間等音質參量的測量，規范規定測試要在信噪比達到35dB 的情況下測量才有效，然而除了實驗室及深夜安靜的環境以外，現場測量很難達到這么高 的信噪比。通常在信噪比小于25dB的情況下可導致測試無效，因此抗噪技術對于脈沖響應 現場測量十分重要的。
[0003]目前相關技術被廣泛地應用在脈沖響應測量技術中。相對于穩態噪聲中斷法，針 對穩態噪聲該法可有效地提高測量的信噪比，但是這一技術對于非穩態噪聲、脈沖噪聲等 的去噪效果并不好，而環境噪聲如語音、交通和施工噪聲大部分是非穩態噪聲、脈沖噪聲。 因此發展針對非穩態噪聲、脈沖噪聲的去噪方法對于提高現場脈沖響應測量的精度和可靠 性是十分必要的。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種精確、快速、自 動化程度高的去除廳堂脈沖響應測量聲信號中噪聲的方法及裝置，在100~8000Hz范圍 內，可將測量脈沖響應所需的信噪比減小至10dB，大大提高了現場測量的精度和可靠性。
[0005] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0006]一種去除廳堂脈沖響應測量聲信號中噪聲的方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007] 1)信號發射模塊通過依次連接的數字信號生成及加權單元、數模轉換卡、功率放 大器和揚聲器向廳堂內發出加權掃頻聲信號或多頻正弦聲信號，所示的聲信號與廳堂內的 噪聲在時頻域分布特征上有顯著差別；
[0008] 2)信號采集模塊通過依次連接的傳聲器、前置放大器、模數轉換卡和數字信號接 收單元，采集廳堂的聲壓信號，并將其發送給信號時頻去噪模塊；
[0009] 3)信號時頻去噪模塊通過時頻分析、閾值去噪和有效信號重構方法去除混入信號 內的異時頻域噪聲，以及同時頻域內的非穩態噪聲分量，并將去噪后的時頻信號返回到時 域，發送給脈沖響應計算模塊；
[0010]4)脈沖響應計算模塊把去噪后的聲壓信號與掃頻或多頻正弦聲信號的數字信號 做相關計算，獲得廳堂的脈沖響應，并將響應發送給噪聲平均聲功率去噪模塊；
[0011] 5)噪聲平均聲功率去噪模塊首先計算脈沖響應中的穩態噪聲聲功率，然后在能量 脈沖響應中將其扣除；
[0012] 6)結果顯示及存儲模塊顯示在廳堂中測量到的聲壓信號曲線、聲壓脈沖響應曲 線、能量脈沖響應曲線，并存儲其數字信號。
[0013] 所述的數字信號生成及加權單元包括數字信號生成單元和加權單元，所述的數字 信號生成單元生成信號的計算過程如下，以線性掃頻信號為例：
[0014]
[0015] 其中，A是信號幅值；T是信號總時長；t是時間變量；是低截止頻率；f2是高截 止頻率；
[0016] 所述的信號加權單元對信號進行加權的計算過程如下：
[0017]
[0018] 其中，T是信號總時長；t是時間變量；ejt)是線性掃頻信號；ω是角頻率。
[0019] 所述的數字信號生成及加權單元對時域和頻域上有限的線性掃頻信號在時域的 起始和結束段進行了正弦調制，使信號的幅值在起始端和結束端平滑地衰減至零，調制的 原則是保證調制后的信號在測量要求的頻帶范圍內能量基本沒有衰減，避免濾波過程的頻 譜泄露，降低頻域幅值的震蕩，使濾波后的信號能量計算更準確，使自相關計算得到的脈沖 更尖銳。
[0020] 所述的信號時頻去噪模塊包括時頻變換子模塊、閾值去噪子模塊、有效信號重構 子模塊以及時頻逆變換子模塊，其中：
[0021] 11)時頻變換子模塊，用于把采集的聲壓時域信號變換為時頻域信號，目的是使混 入信號內的異時頻域噪聲在時頻域上與信號分離，其變換方法是利用離散Gabor變換得到 時頻分布：
[0022]
[0023] 其中，W=exp(j2π/N); 是時頻分析系數的幅值；^U]是采集的聲壓時域信 號；ΔΜ是時域分析步長；ΔN是頻域分析步長；fU-Mi/]是Gabor變換的分析函數；
[0024] 12)閾值去噪子模塊，用于有效去除異時頻域噪內的噪聲，具體為：根據信號與噪 聲的時頻域分布特征差異性對計算得到的時頻變換系數進行處理，確定時頻域內的去噪 閾值，高于閾值的信號保留，低于閾值的信號置零，構成新的時頻變換系數組，形成有效信 號；
[0025] 13)有效信號重構子模塊，用于將在不同時段測量得到的數個有效信號的時頻變 換系數的幅值進行比較，同一時頻點選擇能量幅值最小的系數，得到重構的時頻變換系數 組，其中能量幅值最小的系數為噪聲污染程度最小的信號，該模塊可有效去除同時頻域內 噪聲的非穩態分量；
[0026] 14)時頻逆變換子模塊，用于對重構后得到的時頻變換系數組進行時頻逆變換，將 時頻脈沖響應信號變換到時域內，利用離散Gabor展開得：
[0027]
[0028] 其中，W=expUSJi/N);避幻是逆變換后的聲壓時域信號是重構的時頻分 析系數的幅值；石|> - 是Gabor變換的合成函數。
[0029] 所述的脈沖響應計算模塊是利用信號發射模塊中調制的數字線性掃頻信號e<:(t) 與所接收的時頻分析去噪后的聲壓信號y(t)作相關計算，獲得該測點關于房間的含噪聲 壓脈沖響應P(t)，其中y(t)為時域信號乳幻，含部分同時同頻噪聲n(t):
[0030]y(t) *e。1 (t) =e。（t)*p(t) *e。1 (t)+n(t) *e。1 (t) =p(t)+n(t) *e。1 (t)
[0031]p(t)仍然與噪聲n(t)*e。Yt)混合在一起，影響測量精度，其中n(t)*e。Yt)基本 表現為統計意義上的穩態噪聲。
[0032] 所述的噪聲平均聲功率去噪模塊的工作原理如下：
[0033] 利用脈沖響應末期噪聲占主要地位的信號計算噪聲平均聲功率，然后將脈沖響應 轉換為能量脈沖響應，并在能量脈沖響應全時段內扣除噪聲平均聲功率，具體過程如下：[0034] 利用時間滑動窗平滑法對能量脈沖響應進行積分，獲得平滑化的能量脈沖響應聲 能衰減曲線，并在整個積分時域內扣除窗內噪聲平均聲功率，去除噪聲中的穩態分量，假定 廳堂內的脈沖響應P(t)由信號及穩態噪聲構成：
[0035] p(t) =p(0)e°t+N(t)
[0036] p(0)是脈沖響應函數的初值；N(t)是穩態噪聲，即噪聲n(t)*e。^t);
[0037] 對于噪聲占主導地位的末期信號，可求其平均聲功率得：
[0038]
[0039]其中^為信號聲能被背景噪聲淹沒的時刻，T為ti時刻后噪聲總時長，通常情況 下T的長度能夠使得T得到較為穩定的估計值即可，由此，長度為T。滑動窗內的聲能表示 為：
[0040]
[0041] 去掉噪聲的平均聲功率后，則得到能量脈沖響應聲能衰減曲線為：
[0042]
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